Жизнь является наиболее вероятной причиной присутствия метана в атмосферах экзопланет

В следующем году будет запущен сверхмощный космический телескоп Джеймс Уэбб. Как только он будет развернут и займет позицию в точке 2 Лагранжа Земля-Солнце, он начнет свою работу. Одна из его задач — исследовать атмосферы экзопланет и искать биосигнатуры.

Это может казаться довольно простой задачей. Просто сканируйте атмосферу, пока не найдете кислород, хотя на самом деле все гораздо сложнее. На самом деле присутствие кислорода не всегда надежно

Кислород может показаться очевидной вещью, которую нужно искать в атмосфере планеты при поиске признаков жизни, но это не так. Его наличие или отсутствие не является надежным показателем. История Земли ясно показывает это.

Атмосфера современной Земли содержит около 21% кислорода, и ученые знают, что большая часть его поступает от организмов в океанах планеты. Но есть загвоздка: как только цианобактерии на древней Земле начали вырабатывать кислород в качестве побочного продукта фотосинтеза, все же потребовалось очень много времени, прежде чем атмосфера планеты стала насыщенной кислородом — возможно, миллиард лет.

Что, если бы мы исследовали экзопланету, не обнаружили кислорода, а затем двинулись бы дальше, не понимая, что там была жизнь, в начале насыщения кислородом этого мира? Что, если бы мы были на миллиард лет раньше, а жизнь еще не наполнила кислородом атмосферу экзопланеты? Скалистые планеты имеют множество поглотителей кислорода, и биологически произведенный кислород не будет свободным в атмосфере, пока эти поглотители не станут насыщенными кислородом.

Это то, что произошло на Земле, и то, что может произойти в других каменистых мирах. На Земле из-за геологической активности магма поднимается из мантии в кору. Большая часть материала мантии, например, железа, связывается с атмосферным кислородом, вытягивая его из атмосферы.

Это одна из причин, по которой ученые-планетологи сосредотачиваются на других вещах, таких как метан (CH₄). В новой статье исследователи изучили способность метана сигнализировать о биологической активности. Они говорят, что метан в атмосфере планеты вряд ли исходит из вулканов и, скорее всего, имеет биологическое происхождение.

Обнаружить потенциальные биосигнатуры, такие как метан, в атмосферах далеких экзопланет непросто. Но как только будет обнаружено что-то вроде метана, предстоит еще более тяжелая работа. Его присутствие необходимо исследовать в контексте самой планеты.

Исследователи биосигнатур не ждут праздно запуска космического телескопа Джеймс Уэбб. Они много думали об обнаружении биосигнатур с помощью телескопа. Ученые предположили, что планетные атмосферы с большим содержанием метана и углекислого газа в неравновесном состоянии могут быть сильной биосигнатурой. В своей статье авторы отмечают, что «… мало исследований изучали возможность небиологических CH₄ и CO₂ и связанных контекстных подсказок». В данном случае небиологические означают вулканы.

Авторы хотели использовать термодинамическую модель, чтобы исследовать, может ли дегазация вулканической магмы на планетах земного типа привести к попаданию CH₄ и CO₂ в атмосферу. По сути, они обнаружили, что вулканы вряд ли будут производить такое же количество метана, как биологические источники. Это не невозможно, но практически невероятно.

Во многом это потому, что водороду «нравится» оставаться в магме. H₂O хорошо растворяется в магме, что ограничивает количество выделяемого H и, следовательно, ограничивает количество CH₄ в атмосфере планеты. Другая причина заключается в том, что для выделения газа CH₄ требуется низкотемпературная магма, тогда как большая часть земной магмы имеет более высокую температуру.

Авторы обнаружили, что в тех невероятных случаях, когда вулканизм может производить большое количество метана, он также производит углекислый газ. Древняя архейская Земля была гораздо более вулканически активной, чем современная Земля. Во время архейского эона тепловой поток Земли был в три раза больше, чем сейчас.

Согласно исследованию, он мог произвести в 25 раз больше магмы, чем современная Земля, и гораздо больше метана. Но та же деятельность, которая производила весь этот метан, также произвела бы гораздо больше углекислого газа. Это, как отмечают авторы, является обнаруживаемым ложноположительным результатом. Но если обнаруживается обильное количество метана без сопутствующего количества СО₂, то это более надежная биосигнатура.

Авторы говорят, что было бы трудно объяснить обнаружение метана и углекислого газа без обращения к биологическим источникам, по крайней мере, для любых планет, похожих на Землю. Они также пришли к выводу, что небольшое или ничтожное количество окиси углерода, обнаруженное в атмосфере, усиливает биосигнатуру CH₄ + CO₂, потому что «… жизнь легко потребляет атмосферный CO, в то время как уменьшение вулканических газов, вероятно, вызывает накопление CO в атмосфере планеты».

В заключение исследователи предупреждают, что вся их работа основана на том, что мы знаем о Земле и других планетах в нашей солнечной системе. Насколько далеко эти знания можно распространить на тысячи различных экзопланет, неясно.

«К этим выводам следует относиться с осторожностью, потому что они основаны на том, что известно о процессах, происходящих на Земле и в нашей солнечной системе, что может быть очень скудной выборкой того, что в принципе возможно», — пишут они.

Nicholas Wogan et al. Abundant Atmospheric Methane from Volcanism on Terrestrial Planets Is Unlikely and Strengthens the Case for Methane as a Biosignature, The Planetary Science Journal (2020). DOI: 10.3847/PSJ/abb99e